2019年 电赛C题 全国大学生电子设计竞赛试题解析与总结

2019年全国大学生电子设计竞赛试题 电赛C题 分析与总结

线路负载及故障检测装置【本科组】

一、题目任务

设计并制作线路负载及故障检测装置，示意图如图1所示。.
检测装置只通过两个连接端子与两根导线连接。导线上A、B两点距离各自连接端子约5cm，远端30cm范围内为连接负载和故障区域。
负载由电阻(额定功率0.25W)、电容(耐压16V)和电感(额定电流50mA)3个元件中任意2~3个元件串联或者并联组成。其中电阻值范围: 2000- 2kQ2,电容值范围: 200nF~2uF， 电感值范围: 100μH~ 1mH。
检测装置由5V单电源供电，能实时检测和显示负载网络结构，负载开路、短路故障报警，以及短路故障点位置测量。响应时间不大于5s。

1.基本要求

(1) 具有负载开路和短路故障分别指示的报警功能。
(2)测试现场给出电阻、电容和电感3个元件，分别测量每个元件值并稳定显示，相对误差的绝对值不大于5%。每个元件测量时间不大于5s。
(3) 可检测由给定电阻、电容和电感3个元件中，任意2~3个元件串联或者并联组成负载的网络结构。

2.发挥部分

两根导线上的短路故障点与各自的A点或B点距离相等。
(1) 测量短路故障点与A点(或B点)的距离并稳定显示，误差的绝对值不大于1.0cm。
(2) 由信号发生器产生扫频信号1 (信号参数见说明(3)，信号发生器的“地”与电源“地”相连)，其输出端串接1pF电容后，接入导线上A点处(见图1所示)，用于模拟环境噪声。测量短路故障点与A点(或B点)的距离并稳定显示，误差的绝对值不大于1.0cm。
(3) 在发挥部分(2)的基础上，由另一台信号发生器产生扫频信号2 (信号参数见说明(3))， 其输出端串接1pF电容后，接入导线上B点处(见图1所示)。测量短路故障点与A点(或B点)的距离并稳定显示，误差的绝对值不大于1.0cm。
(4) 其他。

二、题目分析与思路

选题思路

我们分析题目可以看出这是一道测量类题目，在选择题目时我们团队思考了很久，当时了解到在我们学校数十只队伍里，仅有极少比例的队伍有意向选择C题，而且之前对测量题有一些心得，感觉这道题没有太多难点，我们最终确定选择这道题目。殊不知，平静的湖面下暗流翻涌。事后来看，这道题目的难度相对而言确实更大。

首先分析基础部分

1.对于开路或短路的情况，我们作出检测电压的电路即可，控制LED灯实现报警功能。

2.电阻的测量应该不会有什么问题，对于电容和电感，我们的思路是测量其相位。我们知道电容会使电压相位滞后，而电感则超前。我们程序产生DDS，用正弦波，设计两个过零比较器电路，分别探测输入和输出的边沿变化。通过边沿触发stm32的定时器中断，计算其时间差从而得到相位的变化。这个要求就有不少难度了，主要是在电路设计上，会有很大的工作量，而且对精度的要求很高。程序难点则在于需要同时捕捉两次边沿变化，并计算差值。

3.最难的在于第三点，变成了一个黑箱模型。大家可以计算一下，由于是串联或并联，会有多少种可能性，还好后来官方对题目进行细节性解答：不考虑混联的情况。（后附链接可下载，官方全题目发布及解答，内容很多很详细）
我们才具体计算出了一共11种连接方式的特性。其中如果是CL相关的电路，我们就需要分别产生两种不同频率，才能够区分其相位关系。而这11种可能性的判断对于程序而言是一个巨大的考验，需要很大的计算量，stm32单片机性能也有些吃紧，还好我们使用的是F429系列，计算力足够，如果用FPGA会更好一些。
我们分别将11种情况列出，并找到了解决方案。突然发现一个隐藏的大问题，由于电容值、电感值给定的范围。（大家可以自行计算一下）我们需要的频率很高，在stm32的ADC突然出现了无法正常识别的情况，这又是一个新的挑战。

发挥部分思路

我们知道，在超高频率时，线路会呈现出容性和感性。所以出现短路点时，也就像一个线圈，存在电感，我们便可以测量。然而这样的高频难度太大，实在是时间和能力有限。。。
由于当时时间紧迫，我们在收集大量资料后决定战略性放弃，做好基础部分就好。

总结

题目看似简单，实则在分析计算中蕴含很多难点，需要RLC电路分析的知识，需要使用复杂的全桥电路，程序的定时器中断也是一大考验。尤其是在深入研究计算后，发现其涉及到高频领域，此前对高频准备不足，从而临时选择了一个备选方案，最终取得了还算满意的结果。事后在比赛测试现场，我们观察到选择C题的队伍确实极少，和预测的情况一致。

资料链接

下附收集的2019年电子设计大赛电赛题目及解析报告全套资料
https://download.csdn.net/download/smart_99/12126338